Aberraciones

Las aberraciones – Antonio Cuevas – Pág. 1 de 44

MANUAL BÁSICO DE TECNOLOGÍA AUDIOVISUAL Antonio Cuevas [email protected] Tema 7 LAS ABERRACIONES ÓPTICAS

7.1 Efectos del diafragmado

7.2 Aberraciones de una lente

7.3 Aberraciones axiales

7.3.1 Aberración cromática

7.3.2 Aberración esférica

7.4 Aberraciones no axiales

7.4.1 Coma

7.4.2 Astigmatismo

7.4.3 Curvatura de campo

7.4.4 Distorsión

7.5 Velo óptico

7.6 Efecto de la abertura del diafragma en las aberraciones

7.7 Corrección de las aberraciones

7.7.1 Influencia del límite de difracción

7.72 ALAC (Automatic Lens Aberration Compensation)

7.8 Cuadro resumen de las aberraciones ópticas

7.9 Los objetivos primitivos y las aberraciones ópticas


El uso del diafragma tiene importantes implicaciones visuales.

1- Regula la cantidad de luz que pasa a través del objetivo. 2- Determina la profundidad de campo y la profundidad de foco.

3- El diafragmado ayuda a mejorar la definición. Como veremos enseguida al hablar de las

aberraciones, ello se debe a que la corrección del objetivo para los rayos centrales suele ser mejor que para los rayos marginales. En este caso, el diafragmado elimina una parte de los rayos marginales, determinando una mejor calidad de la imagen. En los objetivos actuales, normalmente muy luminosos, la corrección es un punto medio entre los rayos centrales y los marginales. Cierta cantidad de diafragmado seguirá mejorando la definición, pero pasado el punto de definición óptima ya no se obtiene una mejoría. Normalmente sucede lo contrario al alterarse el equilibrio de corrección entre los rayos centrales y los marginales.

4- Para aprovechar en lo posible solo los rayos centrales, podría pensarse que para conseguir

mayor nitidez lo mejor sería cerrar al máximo el diafragma para disminuir así los círculos de confusión. Pero al tener que penetrar la luz por un orificio muy cerrado los rayos rozan las laminillas del diafragma y aparece el fenómeno estudiado en el primer tema llamado difracción, que provoca que alrededor de cada círculo de confusión se forme un área en penumbra llamada “anillo de difracción” que resta nitidez a la imagen. Con aberturas pequeñas, la definición de la imagen se reduce por efecto de la difracción. Las ondas luminosas se curvan ligeramente cerca del borde de la abertura del diafragma provocando la dispersión de una cierta cantidad de luz, lo que determina una falta de nitidez. Con una abertura del diafragma muy reducida, estos rayos desviados constituyen una importante proporción de los rayos luminosos que atraviesan el diafragma, y por ello se perjudica la nitidez de la imagen. En la práctica, los objetivos para aplicaciones profesionales jamás cierran el diafragma más allá del punto en que pueden observarse fenómenos de difracción.

Con referencia al diafragma, recordemos estas dos simples reglas de andar por casa, pero que pueden contribuir a mejorar la nitidez de la imagen:

EFECTOS DEL DIAFRAGMADO

1.- Normalmente la mayor nitidez de un objetivo se obtiene utilizándolo en el comienzo del tercio central de diafragmas a partir de la máxima abertura. Es decir, un objetivo con F/1.4 de máxima luminosidad y F/22 de mínima, tiene una escala de trabajo de 1.4 - 2 - 2,8 – 4 – 5.6 – 8 – 11 -16 – 22. El tercio central sería el intervalo entre F/4 y F/8 y su mejor rendimiento lo daría trabajando entre F/4 y F/5.6 Lo anterior no es una regla general, mucho menos una ley óptica, pero la práctica demuestra que esta aproximación es válida en la mayoría de los casos con dos excepciones que veremos más adelante: los objetivos tipo macro y los diseñados para la cinematografía digital 2.- Una óptica empieza a tener problemas de difracción para un valor de diafragma igual o aproximado al resultado de dividir su distancia focal por cuatro. Por ejemplo, un 50mm puede usarse esperando un buen rendimiento en todo el campo hasta F/11, que es un valor aproximado a 50/4 = 12,5. Un 135mm podríamos usarlo hasta F/32. Un 28mm sería seguro hasta un punto medio entre F/5,6 y F/8. La difracción es el fenómeno que explica que muchos objetivos no cierren más allá de un cierto límite.


Un tercer consejo casero, aplicable en esta ocasión solo a la fotografía. Para evitar la falta de nitidez a la hora de realizar la toma con la cámara sujeta a mano, utilícese una velocidad de obturación no menor a la distancia focal del objetivo. Con ello se eliminan las fotos “movidas”. Ejemplo: objetivo de 100 mm → obturación de, al menos, 1/125s; objetivo de 200 mm → al menos 1/250s; 500 mm → al menos 1/500s.

DIAFRAGMA : DOS REGLAS ÚTILES

1.- Normalmente, la mayor nitidez de un objetivo se obtiene utilizando el comienzo del tercio central de la escala de diafragmas. >

Así un objetivo con f/1.4 de máxima luminosidad y f/22 de mínima, daría su mejor rendimiento trabajando en cualquier abertura entre f/4 y f/5.6

Aplicando esta regla, los objetivos de los camascopios de la Escuela, dan su mayor calidad alrededor de F/4


Nikon 50mm f/1.4 AI

Imagen de referencia

F/1.4 F/2 F/5.6 F/16

NikonMicro-Nikkor55mm f/2.8 AI-s

F/32


La calidad final de una imagen depende de una buena cantidad de factores que van desde la calidad óptica del objetivo de toma hasta el nivel de ampliación en la copia final o en su proyección en una pantalla. El rendimiento óptico del objetivo es el punto básico de partida, y la corrección de las aberraciones del propio objetivo es una de las claves de la calidad que este sea capaz de proporcionar. Ya hemos visto que la deficiente calidad de imagen producida por una lente simple hace que ésta no sea aprovechable como objetivo fotográfico. Puede comprobarse esta afirmación observando con atención la imagen producida por una lente corriente de aumento, lo que llamamos una lupa. Produce una imagen que no llega a ser nítida en los bordes y en el centro al mismo tiempo; ciertos objetos blancos pueden aparecer con franjas de color; las líneas rectas se curvan; y el conjunto de la imagen tiene un aspecto “neblinoso”. Estos son los efectos combinados de varios defectos o “aberraciones” propios de las lentes. Una lente positiva simple proporciona una imagen de calidad aceptable para la observación directa de objetos pequeños como lo hace una lupa cuando a través de ella observamos, por ejemplo, estampillas de correos. Pero es insuficiente para aplicaciones fotográficas o cinematográficas debido a las llamadas “aberraciones ópticas”. No hay ningún elemento óptico (lente simple) que pueda ser “curado” individualmente de sus aberraciones. Lo mejor que puede hacerse es utilizar sólo la luz que pase por la zona central de la lente, que es donde las aberraciones son menos pronunciadas. Este es el motivo por el cual las cámaras sencillas que utilizan muy pocos elementos ópticos (que a veces son de plástico moldeado) deben tener aberturas de diafragma muy pequeñas de forma que solo utilicen los rayos centrales de luz, los menos críticos, para formar la imagen.

ABERRACIONES DE UNA LENTE SIMPLE

Los grandes fabricantes ofrecen sistemas ópticos muy completos cuyos ángulos visuales

pueden ir desde 200º hasta menos de 1º

Sabemos que una lente simple crea una imagen mejor (más luminosa y más nítida) que la que se consigue con un estenopo (cámara oscura).

Sin embargo su calidad todavía estámuy lejos de la que necesitamos en cinematografía y vídeo profesional. >

* No llega a ser nítida en los bordes y en el centro al mismo tiempo

* Los objetos blancos aparecen con franjas de color

* Las líneas rectas se curvan

* La imagen tiene aspecto borroso

Es decir, tiene aberraciones ópticas

IMAGEN CREADA POR UNA LENTE SIMPLE


Los objetivos modernos para aplicaciones profesionales son instrumentos ópticos complejos, y por lo tanto caros. La selección del tipo de vidrio óptico, la determinación de las curvaturas de sus superficies y el espaciado de cada elemento, precisan cálculos matemáticos exigentes que hoy realizan computadoras especializadas. Después, durante la fase de fabricación, la posición final exacta de cada elemento en el barrilete del objetivo exige una elevadísima precisión mecánica, lo que añade más coste. El perfeccionamiento de los objetivos fotográficos depende de los progresos de la química de los nuevos vidrios ópticos, de la matemática del diseño y de la técnica en el montaje. Esta es una de las razones por la cual los objetivos cinematográficos de calidad tienden a ser fabricados en tan sólo unos pocos países muy desarrollados. Y, desde luego, cualquier buen objetivo resulta muy caro. En un sistema óptico, como lo es un objetivo para cinematografía o vídeo profesional, para que la imagen proyectada sobre el plano de la película sea nítida en toda su superficie, deben corregirse

satisfactoriamente las aberraciones. Arthur Cox, en su libro Óptica fotográfica dice: “… toda la ciencia y arte necesarios para producir un objetivo nuevo consisten en equilibrar las aberraciones principales y las de primer orden para conseguir que haya la mínima proporción de ambas. Sin embargo, ninguna de las dos queda eliminada por completo”. Esto significa que la calidad y precisión de un objetivo están determinadas por la mínima cantidad residual de aberraciones. Lamentablemente, la corrección total de estas es, por el momento, imposible. Todo objetivo mantiene una cierta cantidad de las llamadas “aberraciones residuales”.

En la práctica ningún objetivo, ni siquiera los más caros, son perfectos. Sus diseñadores controlan la mayoría de las aberraciones mediante el empleo combinado de diferentes lentes simples de forma que las aberraciones producidas por cada una de ellas tienda a compensarse por las producidas por las adyacentes pero, en cualquier caso, todo diseño supone un compromiso entre calidad de imagen, área de imagen cubierta, capacidad de enfocar a diversas distancias, abertura máxima razonable y, desde luego, la mejor relación calidad/precio posible. Este último componente es muy importante también. Con frecuencia, fabricantes sin excesivos escrúpulos, específicamente del sudeste asiático, introducen en el mercado fotográfico objetivos de precio inusualmente bajo a cambio de una calidad de imagen seriamente mermada por aberraciones (singularmente cromática y esférica), por superar su abertura mínima los límites de la difracción y por un área de cobertura que apenas alcanza el formato.

Objetivos Cooke S4 para cine en 35mm fabricados en Inglaterra por Taylor Hobson.

Focales: 14 – 18 – 25 – 32 – 40 – 50 – 75 - 100mm

Todos T/2

Optimizados para dar su mejor calidad a máxima apertura (T/2)è muy caros

El más barato (50mm): $12.600 El más caro (14mm): $22.700 >

Precio del juego completo: más de $140.000

La lente simple no puede ser "curada" individualmente de sus aberraciones. Una solución “barata” es utilizar sólo la luz que pase por la zona central de la lente, que es donde las aberraciones son menos pronunciadas.


En el mercado de objetivos cinematográficos, donde la calidad es un parámetro determinante (al ser proyectado, el fotograma es con frecuencia ampliado más de 340.000 veces), las ópticas alcanzan precios muy altos pues su complejo diseño introduce fuertes costes en I+D (investigación y desarrollo), su fabricación exige procesos mecánicos de altísima precisión y dada la necesidad de usar las mejores materias primas. A ello se une el hecho de que siendo las tiradas limitadas, esos altos costes deben ser repartidos entre relativamente pocas unidades fabricadas. El objetivo primordial del diseño y fabricación de objetivos profesionales es lograr la corrección de las aberraciones a medida que van apareciendo. Para ello se utiliza una gama específica de vidrios ópticos, cada uno de los cuales cuenta con diferentes propiedades de dispersión y refracción. La construcción de un objetivo profesional es extraordinariamente compleja pues combina distintos tipos de superficies ópticas, cada una de ellas con distintas propiedades. Cuantos más elementos tiene un objetivo, mayor corrección de las aberraciones se consigue. De hecho un objetivo de focal intermedia de una cámara cinematográfica de 35mm jamás tendrá menos de cinco elementos, pudiendo superar los veintiuno en el caso de los objetivos de distancia focal variable (zoom). Su material básico de construcción es el vidrio óptico formado por una mezcla compleja de productos químicos como silicio, boro, y óxidos de bario, lantano y tántalo. En función del contenido y porcentaje de esos productos químicos, cada tipo de vidrio tiene diferente índice de refracción y diferente poder de dispersión.

• Sabemos que el índice de refracción (IR) determina el cambio de ángulo que sufre la luz al pasar de un medio transparente a otro. También, que la refracción varía según la longitud de onda - a menor longitud de onda (azules) mayor refracción – por lo que el índice de refracción se expresa siempre referido a una longitud de onda correspondiente al punto medio del espectro (590nm, verde-amarillo) o bien se habla del índice de refracción medio. Sabemos que cuanto mayor es el IR de un material, más acentuado es el cambio de dirección que experimenta la luz que lo atraviesa.

• El poder de dispersión indica la diferencia de IR para el rojo y el azul, los dos extremos de la desviación. Cuanto

mayor sea el poder de dispersión, más crítico será lograr corregir las aberraciones cromáticas. El control de la dispersión es un factor clave en el vidrio óptico para conseguir que todos los colores se enfoquen en el mismo plano o al menos en planos muy próximos.

El índice de refracción y el poder de dispersión son independientes. Dos lentes simples con el mismo índice de refracción pueden tener un poder de dispersión diferente.


El diseño de un objetivo fotográfico de alta calidad <1> exige minimizar los dos factores negativos que afectan a su calidad: las aberraciones y el velo óptico. Se llaman aberraciones a los defectos y alteraciones que se producen en la imagen debido a la forma, superficies externas o constitución de una lente. Pueden originar pérdida de nitidez, deformaciones, alteración de proporciones, defectos cromáticos, etc. Las aberraciones se producen siempre por las deficiencias ópticas de un objetivo. Ningún objetivo es perfecto y la corrección de las aberraciones es uno de los aspectos más importantes del diseño. Por lo general se logra combinando lentes simples de manera que las aberraciones de una sean corregidas por las aberraciones opuestas de otra. Aunque es relativamente fácil corregir así cualquier aberración particular, es mucho más difícil lograr un equilibrio general. El problema radica en que la corrección de un problema óptico lleva generalmente aparejado el empeoramiento de otro. <1> Todos los objetivos son calculados y evaluados tomándose como base una temperatura próxima a los 20 grados centígrados. A bajas temperaturas, los cristales ven reducido su índice de refracción y, además, padecen contracciones junto a la montura, lo que conduce a una alteración de todas sus magnitudes. Es muy probable que en tales circunstancias la nitidez se vea afectada negativamente.

Uno de los objetivos más caros del mundo, el Fujinon 101x (8,9 - 900mm) para TV. >

Precio (2009): $160.000


Las aberraciones de que afectan a la imagen de puntos sobre el eje óptico de la lente se denominan aberraciones axiales. Las principales aberraciones axiales son la cromática y la esférica.

Es la incapacidad de una lente de enfocar diferentes colores en un mismo plano focal. El resultado de esta aberración es un reborde coloreado que se provoca en torno a los objetos blancos en los contornos de la imagen, algo parecido en ciertos casos a un arco iris (imagen de la derecha) La aberración cromática es inherente al propio proceso de refracción en el que se basan los objetivos. Sabemos que cuando un material refracta la luz, lo hace de forma diferente para cada longitud de onda. Esto produce que cualquier lente simple se comporte como un prisma descomponiendo la luz en sus colores primarios y formando un pequeño espectro alrededor del foco de la lente. Ya hemos visto que un prisma desvía más la luz azul que la roja. Las lentes simples hacen lo mismo con el resultado de que el componente azul de la luz enfoca más próximo al objetivo que la verde y mucho más que la roja <2>. Esta aberración produce orlas (bordes) de color en los contornos de la imagen de un objeto, especialmente cuando se utilizan objetivos de muy larga distancia focal (teleobjetivos). Este efecto sobre las distintas longitudes de onda o colores queda compensado en los objetivos compuestos actuales combinando lentes convergentes y divergentes con múltiples revestimientos y reunidas en grupos complejos para ajustar sobre un mismo punto de enfoque todas las longitudes de onda o, por lo menos, un número significativo de ellas <3>. La corrección de la aberración cromática en los objetivos resulta fundamental para que proporcionen imágenes de

ABERRACIONES AXIALES

Aberración cromática

A la izquierda, un objetivo que sufre de aberración cromática. A la derecha un objetivo acromático, capaz de dar

una imagen mucho más limpia.


calidad. Existen diferentes niveles de corrección y, cuanto mayor es la exigencia, también se incrementa la complejidad del diseño, su fabricación y, obviamente, el coste. Una lente simple no corregida de aberración cromática y por tanto solo utilizable para una única longitud de onda (color) - para aplicaciones láser, por ejemplo - se describe como monocromática. En ella, la aberración cromática permanece. Es el caso de las lentes de aproximación Angenieux que utilizamos en la Escuela. En los objetivos fotográficos de gama media y calidad justa, es suficiente con corregir dos bandas principales, la del amarillo-verde y la del azul-violeta. Un objetivo de este tipo se denomina acromático; muchos de los empleados en fotografía convencional actualmente pertenecen a esta categoría. El diseño suele consistir en un par de lentes (también llamado doblete) de materiales distintos, calculado de modo que la dispersión producida por un elemento compense la dispersión producida por el otro. Para aplicaciones profesionales en color de los que requerimos alta nitidez y fiel reproducción de los tonos, es necesario hacer coincidir el foco para los tres colores principales; estos objetivos se llaman apocromáticos y, obviamente, son considerablemente más caros de fabricar. Todos los objetivos cinematográficos actuales son apocromáticos incluyendo los empleados en formatos anamórficos.

Fotografías de Saturno obtenidas con objetivo

acromático (izqda.) y apocromático (dcha.)

A la izquierda lente simple monocromática. El rojo forma la imagen más alejada, el verde la

intermedia y el azul la más próxima a la lente. Si se combina la lente simple anterior con una lente

divergente menos dispersiva, se consigue que los rayos de dos colores vayan a un mismo punto de enfoque. Este tipo de diseño se

denomina acromático (derecha). Los diseños apocromáticos (debajo) hacen que los tres

colores primarios coincidan en el mismo plano de enfoque. Para ello, el sistema requiere cálculos más precisos y las tolerancias en la fabricación

son mucho más estrechas.


Las áreas incluidas dentro de los rectángulos amarillos muestran las consecuencias de la aberración cromática


Imagen obtenida con el objetivo Canon EF 70-300mm F/4.5-5.6 DO IS USM

presentado en enero de 2004 y cuyo precio aproximado es de $1.100

En la imagen de la izquierda, obtenida a F/4.5 (abertura máxima del objetivo) se observa un halo azul (aberración cromática). Simplemente cerrando un punto y medio de diafragma (F/8, imagen de la derecha) se aprecia un disminución significativa de la aberración cromática.


Ni los objetivos acromáticos ni los apocromáticos están corregidos para el infrarrojo, la corrección se debe hacer ajustando el enfoque. Por esa razón los objetivos fotográficos de mayor calidad tienen una marca de corrección de enfoque infrarrojo, hacia la cual se debe girar el anillo de enfoque para hacer coincidir la marca de infrarrojo con la distancia que obtenida por medio del enfoque visual.

The Assasination of Jesse James by the Coward Robert Ford (2007) D: Andrew Dominik – F: Roger Deakins

Uso creativo de la aberración cromática

El personaje sabe que lo van a asesinar y parece estar meditando si hacer algo al respecto, aún tiene la posibilidad de salvarse.

Los laterales de cuadro borrosos están en consonancia con la situación de duda en que se encuentra el personaje.

El cambio de dirección (refracción) está en función de:

El ángulo de incidencia (a mayor ángulo de incidencia, mayor refracción)

La longitud de onda incidente (a menor longitud de onda mayor refracción)

El índice de refracción de un medio respecto al otro.


Barry Lyndon (1975) D: Stanley Kubrick - F: John Alcott

En esta película se utilizaron velas combinadas con un objetivo especialmente luminoso Zeiss F/0,7

A tan extremas aberturas es inevitable que aparezcan aberraciones residuales, en este caso la aberración cromática

“El efecto fue en su mayoría creado desarmando la parte frontal de varios objetivos angulares, y montándolos frente a objetivos más cerrados” Roger Deakins ASC BSC

Uso creativo de la aberración cromática

The Assasination of Jesse James by the Coward Robert Ford (2007) D: Andrew Dominik – F: Roger Deakins


Esta función disminuye la aberración cromática causada por el objetivo, y se activa sólo en ciertas cámaras y ópticas recientes. La línea de camascopios portátiles de Sony PMW-320K y PMW-500 incorpora este software que es aplicable a los objetivos estándar suministrados y con ciertos objetivos de terceros que incorporan datos sobre compensación. Canon y Panasonic tienen sistemas equivalentes. Todos ellos se basan en la comunicación entre el objetivo y la cámara, la óptica informa al cuerpo de cámara en qué punto de distancia focal está y cuáles son las otras variables de trabajo (distancia de enfoque y diafragma), de forma que con arreglo a una curva predeterminada, se conoce la cantidad de aberración cromática en cada distancia focal; gracias a ello la cámara consigue corregir tal aberración cromática de forma automatizada. Véase http://www.youtube.com/watch?v=TyMauw5S-sM

ALAC (Automatic Lens Aberration Compensation)

PMW-500: Camcorder Sony XDCAM HD422, grabación de material HD a 50

Mbps en soportes de estado sólido


Esta aberración se manifiesta debido a la diferencia de refracción entre los rayos de los bordes y los centrales. En una lente convergente los rayos de los bordes convergen más que los axiales y en una lente divergente menos. Es decir que en todo objetivo, con independencia del color de las radiaciones que le atraviesan y debido a la curvatura de sus lentes, los rayos que inciden más cerca de los bordes convergen más cerca del objetivo que las que llegan al eje principal, lo que perjudica seriamente la nitidez de la imagen. Este defecto se observa con total claridad en algunos proyectores simples en los que no es posible enfocar simultáneamente el centro y los bordes de la imagen; cuando el foco fino se ubica en el centro, la imagen proyectada tiene los bordes ligeramente difusos y al revés, si se enfocan éstos, el centro resulta perjudicado. La corrección de la aberración esférica es fundamental en los objetivos y puede ser eliminada modificando las superficies de las lentes de manera que ya no sean esféricas sino asféricas, es decir, lentes cuyo radio de curvatura no es constante. En la práctica se presentan problemas técnicos considerables que se suman al hecho de que la modificación puede ser calculada sólo para una determinada distancia del objeto que se fotografía con lo que no se garantiza la superación de la aberración para otras distancias <4>. La solución adoptada en objetivos no muy sofisticados está en corregir la aberración esférica de la lente convergente combinándola con una lente divergente cuya aberración esférica tenga el mismo valor pero en sentido opuesto.

Dado que el efecto de una lente convergente es contrario al de una lente divergente, combinando ambos tipos de lentes es posible corregir de forma elemental la aberración de esfericidad. Este es uno de los recursos empleados por los diseñadores de objetivos, cementar (adherir) dos tipos de lentes, uno subcorregido (convergente) y el otro sobrecorregido (divergente). En objetivos de alta calidad la solución es combinar lentes de radio de curvatura no constante (lentes asféricas) con otras de distinto índice de refracción, a

Aberración esférica

En una lente convergente simple de forma esférica, los rayos más

alejados del eje convergen con más fuerza y hacia un foco más próximo

a la lente que los rayos centrales.

En una lente asférica, los rayos de los bordes convergen junto con los del área central y

media sobre un mismo plano de enfoque.


estos objetivos se les conoce como asféricos y su precio suele ser considerablemente elevado <5>. Cuanto menor es la luminosidad de un objetivo, menor es también su aberración de esfericidad puesto que, como hemos visto, ésta depende básicamente de las zonas marginales de las lentes. Así, las consecuencias de las aberraciones esférica y cromática se minimizan trabajando a aberturas de diafragma pequeñas (números F altos) porque en tal caso todos los rayos luminosos se ven obligados a atravesar el objetivo por el centro, donde la curvatura y las diferencias de refracción son menores. Sin embargo, trabajar a aberturas pequeñas, además de la pobre luminosidad, tiene otros inconvenientes como enseguida veremos <6>.

Hoy en día son cada vez más los objetivos que incluyen lentes no esféricas (asféricas) ya que proporcionan una superior calidad de imagen <7>. Se usan en todos los objetivo de altas prestaciones, en algunas (las menos) cámaras compactas y en las cámaras digitales de mejor calidad, si bien la tecnología de fabricación no es la misma para todos. Prácticamente no existe un solo objetivo que se precie de ser de "última generación" que no tenga una de estas lentes asféricas.

Las aberraciones pueden también aprovecharse creativamente; así, los objetivos llamados Soft, suavizadores, utilizados en retrato, tienen una aberración esférica deliberadamente alta que produce cierto grado de difusión o efecto de halo. En algunos casos el grado de difusión puede variarse a voluntad. Se utilizan generalmente en retrato y desnudos, para conseguir cierto ambiente romántico y de ensoñación. Para muchos fotógrafos parece más práctico

obtener la difusión por otros medios, específicamente a través de filtros especializados. En el mercado los hay de múltiples tipos, graduación y efectos. En cinematografía profesional siempre se recurre a los filtros ópticos para conseguir estas texturas “suaves”, raramente a objetivos tipo soft aunque el fabricante inglés Cooke ofrece un objetivo de este tipo para cinematografía profesional como veremos más adelante.

Canon EF 135mm F/2.8 con suavizador de enfoque graduable en dos posiciones. A la

derecha, los resultados en la posición 2


ABERRACIÓN ESFÉRICA

Problema: los rayos de los bordes convergen más que los axiales (los más alejados del eje convergen con más fuerza y hacia un foco más próximo que los centrales).

Consecuencias: pérdida de nitidez.

Se reduce diafragmando

El cambio de dirección (refracción) está en función de:

El ángulo de incidencia (a mayor ángulo de incidencia, mayor refracción)

La longitud de onda incidente (a menor longitud de onda mayor refracción)

El índice de refracción de un medio respecto al otro.

Consecuencias: pérdida de nitidez.


ABERRACIÓN ESFÉRICA

En teoría

En la práctica


<2> El ojo humano tiene su máxima sensibilidad para la luz, como ya hemos visto, hacia el centro del espectro visible, unos 555 nanómetros. Sin embargo, ciertas emulsiones fotográficas son más sensibles al extremo azul. Por ello podría suceder que un objetivo con aberración cromática forme una imagen nítida para el ojo del operador de cámara que, sin embargo, se traduzca en un negativo borroso, con orlas de color en los contornos de la imagen de un objeto. <3> En las cámaras digitales de calidad insuficiente se produce un efecto parecido a la aberración cromática, denominado “borde magenta” (Magenta Fringing). Es frecuente en las imágenes a fuerte contraluz, como por ejemplo, hojas de un árbol sobre cielo muy luminoso. Los contornos aparecen con una banda de color magenta bastante intenso, que resulta llamativa (y molesta, normalmente).

El borde magenta tiene su origen en la aberración cromática del objetivo, que es potenciada por un efecto denominado blooming, propio del sensor electrónico. Los píxeles que reciben más cantidad de luz (fondo luminoso) se saturan de carga eléctrica, y la carga sobrante que ya no son capaces de acumular, termina por alcanzar a los píxeles vecinos (contornos de las hojas colindantes al fondo luminoso). El borde magenta puede ser mitigado hasta niveles aceptables usando un programa de retoque fotográfico, como por ejemplo, Adobe Photoshop. Para ello, hay que seleccionar la opción Tono/Saturación (Hue/Saturation), seleccionar los tonos magenta, y

disminuir la saturación (saturation) hasta convertirlos en tonos de gris (imagen superior derecha). Según el caso particular, se puede probar a incrementar ligeramente la luminosidad (lightness) o incluso modificar el tono (hue) para convertir los magentas en otros colores (por ejemplo, en verdes, para el caso de las hojas del árbol). <4> La aberración esférica se puede corregir dentro de cierto rango de distancias de enfoque, lo que explica el hecho de que los objetivos tipo macro y los de ampliadora, estén mejor corregidos para muy cortas distancias de enfoque y los teleobjetivos, corregidos para mayores distancias.


<5> La fase más delicada de la fabricación de una lente asférica no consiste tanto en lograr radios de curvatura variables punto a punto mediante el tallado y abrasión sino en darle a la superficie un pulido riguroso para que quede perfectamente lisa. Este trabajo requiere mano de obra altamente calificada (suele hacerse a mano) y mucho tiempo. La lógica indicaría que la mejor manera de atacar un defecto consiste en eliminar su causa. Si es la esfericidad de la superficie aire-vidrio lo que causa la aberración de esfericidad, la solución es hacer que esa superficie sea no esférica, es decir, que el radio de curvatura desde el centro a los bordes vaya variando para ir compensando la sub o sobredesviación de los rayos de luz a medida que se alejan del eje óptico. De hecho, las lentes asféricas (no esféricas) permiten corregir de manera fácil y con el empleo de menos lentes aquella aberración. El problema es que esos tipos de lentes son más difíciles y costosos de fabricar.

Las primeras patentes conocidas para fabricar lentes no esféricas fueron registradas en las primeras décadas del siglo XX pero no fue hasta 1930 que Schmidt aplicó placas correctoras asféricas para telescopios. En fotografía, un esquema con el empleo de una lente no esférica fue propuesto por Yoshido en 1959 para un objetivo anastigmático de 50mm F/0,51 pero su construcción era muy engorrosa y no se han encontrado referencias de que haya sido alguna vez

fabricado. Por esa misma época, Canon comenzó a investigar la aplicación de lentes no esféricas, desarrollando las teorías de diseño y la tecnología de medición así como los márgenes de error requeridos. En marzo de 1971, hace más de 35 años, Canon presentó el primer objetivo para cámara réflex que incorporaba lentes asféricos: el FD 55mm F/1,2 AL. En su construcción se trabajó con una altísima precisión de dos centésimas de micrón, es decir, un veinteavo de la millonésima parte de un milímetro. Esta tecnología pasó a ser la espina dorsal del subsiguiente desarrollo en la producción de lentes asféricas. Leica - que presentó su primer objetivo asférico en 1990, el Summilux-M de 35mm y F/1,4 - explica que “las lentes asféricas nos permiten, por decirlo así, conseguir calidades ópticas "a la carta". Sin embargo, debido a que la forma de la curvatura de sus superficies ha de ser creada con máxima precisión, su fabricación resulta dificilísima. Para alcanzar los rigurosos niveles de calidad requeridos por Leica, la producción en serie solo se puede conseguir a un coste sustancial".

Lente asférica pulida de 140mm de diámetro y 40mm de espesor

El gran fabricante alemán Zeiss ofrece lentes asféricas en muchos de sus objetivos: ARRI/Zeiss MasterPrimes, Ultra Prime , Ultra 16 y el nuevo zoom ligero Lightweight Zoom LWZ-1.

Zeiss 15.5 - 45 mm, T2.6 Lightweight Zoom LWZ-1. (2009)

$44.000


<6> De todas maneras, el problema se agrava con los objetivos de elevada luminosidad, los grandes angulares y los zoom. Para reducir las aberraciones - no solamente cromática y de esfericidad - se recurre a una mayor combinación de lentes esféricas de diferentes radios de curvatura, tanto convergente como divergente; eso hace que el número de lentes se incremente y el diseño sea extremadamente complejo. Un lente zoom puede llegar a tener hasta 21 elementos en 15 grupos y un gran angular 19 elementos en 14 grupos o incluso más. <7> Nuestros ojos son una verdadera maravilla de la ingeniería óptica: disponemos de una lente simple perfecta que incluye iris, enfoque automático, un cristalino de índice de refracción variable y visión estereoscópica. Unos parámetros que hoy parecen inalcanzables para la tecnología óptica. Pero… nunca se sabe, también volar parecía una utopía para la humanidad hace un par de siglos.

Lentes asféricas

OBJETIVOS ASFÉRICOS

Los objetivos asféricos contienen alguna lente asférica (lentes de radio de curvatura no constante). Son más caros.

En una lente asférica, los rayos de los bordesconvergen junto con los del área centraly media sobre un mismo plano de enfoque. Se elimina la aberración esférica.

Son lentes con una curvatura “a medida” para que los rayos centrales y laterales converjan en el mismo punto.


Se denominan así a las aberraciones restringidas a las imágenes de los puntos situados fuera del eje óptico. Son cuatro: coma, astigmatismo, curvatura de campo y distorsión

La aberración denominada coma afecta a los rayos procedentes de puntos no situados sobre el eje de la lente. Se parece a la aberración esférica (que afecta a puntos situados sobre el eje) en que ambas son debidas a la incapacidad de la lente para hacer que la imagen de los rayos centrales y la de aquellos que atraviesan las partes exteriores de la misma coincidan en un solo punto. Esta aberración se debe a la falta de constancia en el aumento lateral para los distintos rayos que atraviesan la lente, de forma que según la zona por

donde pase el rayo se obtendrá un aumento u otro. Como consecuencia, la imagen de un punto objeto no es un círculo, sino una suerte de coma ortográfica o cola de cometa, con la máxima intensidad de luz en un punto. En ciertos objetivos de dudosa calidad este fenómeno se detecta fotografiando puntos luminosos en los bordes de la imagen y observando si adoptan forma de coma. Un objeto puntiforme (un punto) situado en el eje óptico de una lente convergente y a una distancia de la lente superior a la distancia focal produce una imagen puntiforme situada también en el eje óptico. El problema surge cuando el objeto puntiforme ya no está situado en el eje óptico, entonces la imagen formada tampoco es puntiforme, adolece de aberración de coma. En cierta medida puede considerarse como la aberración esférica de un haz de rayos oblicuos (los que llegan con una cierta inclinación respecto al eje óptico). Esta aberración ocurre porque los rayos que convergen oblicuamente, lo hacen en el plano focal, pero no precisamente en el lugar que les corresponde, transformándose las imágenes de los puntos no axiales en series de diminutos círculos solapados dispuestos de forma parecida a la de una coma ortográfica o una cola de cometa con la máxima intensidad de luz en un punto. Excepto en fotografía de estrellas o de objetos luminosos muy puntuales, lo que produce el coma es una reducción del contraste de la imagen. Existen diversos grados de coma, que producen

ABERRACIONES NO AXIALES

Coma

Como consecuencia de la aberración de coma, la imagen de un punto lateral no es un círculo, sino

una coma ortográfica o una cola de cometa


manchas luminosas de formas más complicadas, pero su corrección es posible mediante el cálculo de las curvaturas de los lentes y del índice de refracción de los cristales. Es más compleja su corrección en los objetivos de gran luminosidad, pero se logra controlar a niveles imperceptibles. Al diafragmarse el objetivo, el coma se atenúa al restringirse los rayos utilizados a principalmente los de la zona central.

Aberración de coma

ABERRACIÓN DE COMA

Igual que la esférica, pero afectando a puntos NO SITUADOS en el eje óptico sino situados en los bordes del cuadro.

Problema: la imagen de un punto situado en los bordes, no es otro punto sino unos círculos

solapados en forma de coma.

Consecuencias: falta de nitidez en los bordes. Reducción del contraste



En algunos objetivos de dudosa calidad ocurre que resulta imposible enfocar con nitidez simultáneamente los objetos verticales y horizontales, incluso estando ambos en el mismo plano. Se debe a la aberración llamada astigmatismo y que se define como la incapacidad de un objetivo para enfocar en un mismo plano líneas horizontales y verticales, cerca de los bordes de la imagen.

El efecto del astigmatismo es que unas líneas aparecen perfectamente nítidas sobre el plano focal, mientras que las que están en ángulo recto respecto a aquellas quedan fuera de foco. Esto significa que existe diferencia del punto de enfoque entre las imágenes radiales y transversales, formándose dos imágenes, una detrás de la otra.

Si con un objetivo no corregido de astigmatismo se desea fotografiar una rueda haciendo coincidir el eje óptico con el de la rueda, se producirá una imagen donde los radios está nítidos o bien donde solo queda nítida la circunferencia radial. Es posible corregir el astigmatismo hasta límites tolerables actuando sobre el radio de curvatura de las lentes y utilizando varias de ellas de diferentes propiedades. Al diafragmar, también se atenúa esta aberración. Normalmente, todos los objetivos modernos son anastigmáticos (corregidos de la aberración de astigmatismo).

Carta de prueba del astigmatismo

Astigmatismo

El astigmatismo afecta seriamente a la nitidez de la imagen

El astigmatismo afecta seriamente a la nitidez de la imagen.

Por eso, fue una de las primeras aberraciones en ser corregida

http://micro.magnet.fsu.edu/primer/java/aberrations/astigmatism/index.html


En ocasiones, en vez de formarse una imagen nítida sobre un plano sucede que la imagen nítida se forma sobre una superficie curva, es decir, el plano de proyección asume la forma de una semiesfera. En la práctica, cuando enfocamos en el centro de la imagen un objetivo con curvatura de campo, los bordes quedarán fuera de foco y viceversa. En un objetivo sin corregir es imposible enfocar a la vez el centro y los bordes. Esta aberración no es crítica en diseños ópticos como los binoculares, prismáticos o telescopios en los que el movimiento automático del ojo del usuario acerca o aleja el dispositivo para ajustar el foco. Sin embargo, afecta muy especialmente a los objetivos fotográficos, cinematográficos y de vídeo ya que la película o los sensores electrónicos son siempre planos. La curvatura de campo está estrechamente relacionada con el astigmatismo y puede reducirse ajustando éste. En algunos objetivos sencillos se introduce el astigmatismo de forma deliberada como una solución intermedia para aplanar curvaturas que, de otra forma, serían inaceptables. Y a la inversa: algunos fabricantes de cámaras baratas solucionan parcialmente la curvatura de campo curvando la película en la cámara en el mismo sentido que el plano focal <8>.

Los objetivos corregidos contra la curvatura de campo y el astigmatismo reciben el nombre de anastigmáticos. La curvatura de campo no puede reducirse diafragmando.

Curvatura de campo

Cuando un objetivo presenta aberración de curvatura de campo,

todos los puntos de la imagen yacen en una superficie curvada P, en

vez de hacerlo en un plano

Simulación de los efectos producidos por la curvatura de campo


Solución en cámaras populares: curvar el plano focal

Il ford Sporti (1959)

ABERRACIÓN DE CURVATURA DE CAMPO

Problema: la imagen nítida se forma sobre una superficie curva; el plano de proyección asume la forma esférica.

Consecuencias: si enfocamos el centro de la imagen, los bordes quedarán fuera de foco.

NO se reduce diafragmando.


Es la incapacidad de un objetivo de reproducir un cuadrado como tal, es decir, la deformación que padecen líneas paralelas a los lados del cuadro debido a que la escala de reproducción varía progresivamente del centro a los bordes. Si la escala aumenta desde el centro a los bordes, la distorsión es positiva (o de cojín) y si disminuye es negativa (o de barrilete). La distorsión no afecta a la nitidez ni al contraste de la imagen, sólo altera su forma es decir, afecta a la fidelidad de reproducción de la escena. Los objetivos más sencillos, y los de amplio ángulo visual, deforman las líneas rectas tanto vertical como horizontalmente. Al fotografiar una cuadrícula, ésta puede deformarse de forma cóncava o convexa, resultando así las llamadas distorsiones de “barril” y “cojín”. La de barril o positiva ocurre cuando el diafragma está colocado cerca de la parte frontal y la de cojín o negativa cuando el diafragma se encuentra entre el último grupo de lentes. La distorsión no puede minimizarse diafragmando. En un objetivo con elementos flotantes que se desplazan para proporcionar diferentes ángulos visuales, como sucede con los de tipo zoom, la distorsión no se logra corregir satisfactoriamente y solo desaparece en una determinada distancia focal, variando de positiva a negativa a lo largo de

su rango de distancias focales. Como este tipo de objetivo no se utiliza para fines específicos donde la distorsión pueda ser un problema grave, no se hace mayor énfasis en ello durante el diseño. Por último, subrayemos que no debe confundirse la aberración de distorsión con la distorsión producida por un objetivo gran angular que es causada por la geometría de la perspectiva de sujetos tridimensionales que se proyectan en un plano.

Distorsión

Distorsión en barril producida por un zoom Nikkor 24-50mm a la distancia focal mínima


Es común hoy día encontrar cámaras fotográficas digitales que incorporan software de corrección de la distorsión. Hacen muy bien su trabajo siempre y cuando esta no sea excesiva (intentar corregir la distorsión enorme producida por un ojo de pez es absurdo). En algunas cámaras Nikon Coolpix (fotografía digital), el control de distorsión puede activarse en el momento de la toma, a través del menú. Esto aplica una corrección a una imagen de forma automática en función de la distancia focal establecida en la cámara. Al ajustar una imagen, se le aplica la distorsión contraria, con lo que se reduce el tamaño de la imagen a medida que el borde se hace cóncavo o convexo según la corrección aplicada. A continuación, los bordes se recortan y vuelven a aparecer rectos. El retoque de distorsión es irreversible, ya no puede recuperarse en la posproducción.

<8> Cuanto menor es la distancia de enfoque, la curvatura de campo se hace más evidente y, en este sentido, los fabricantes la corrigen según la aplicación del objetivo: en los de ampliadora y aquellos destinados para la fotografía de aproximación, la curvatura de campo está minimizada en las cortas distancias de enfoque, aunque no es posible lograr una corrección perfecta. Diafragmando el objetivo es posible obtener una mejor definición en todo el campo de cobertura. Cuando se enfoca con una ampliadora, es siempre mejor hacerlo sobre una zona intermedia entre el centro y los bordes, cerrando luego el objetivo en dos o tres puntos.

Este Distortion Tester fabricado por Carl Zeiss permite verificar la distorsión radial producida por un objetivo enfocado al infinito. Adicionalmente permite una medida exacta de su longitud focal

La distorsión resulta especialmente difícil de evitar en angulares y zoom y tanto más difícil cuando mayor sea su potencia.

Los utilizados en vídeo, de potencias altas, la exhiben con absoluta frecuencia.

En los zoom aparece la distorsión de barril en focales cortas (centro) seguida de una zona “neutral” en focales intermedias (izquierda), que dejan paso a la distorsión tipo cojín en

distancias focales largas (derecha).

Normal Angular Tele

Izquierda: imagen captada con una Nikon D90 antes de aplicar el control de distorsión. Los bordes de la casa parecen extenderse y la imagen muestra distorsión de barril.

Derecha: la misma imagen tras aplicar el control de distorsión. Ahora los bordes de la casa parecen rectos y los efectos de la distorsión de barril han sido eliminados.


Valkyrie (2008) D: Bryan Singer – F: Newton Thomas Sigel

ABERRACIÓN DE DISTORSIÓNThe Darjeling Limited (2007) D: Wes Anderson – F: Robert D. Yeoman

ABERRACIÓN DE DISTORSIÓN

ABERRACIÓN DE DISTORSIÓN

Blow Out (1981) D: Brian De Palma - F: Vilmos Zsigmond


Además de las aberraciones ópticas de las lentes simples que lo constituyen, los objetivos sufren a veces de velo óptico (flare en inglés) producido por los múltiples reflejos de luz en sus superficies interiores. En cada superficie cristal-aire se refleja al menos el 4% de luz y se transmite el 96% restante. En el interior de los objetivos se producen reflejos internos cada vez que la luz incide sobre una de las lentes que lo componen. En ocasiones una luz intensa (o el sol) puede llegar a provocar una mancha luminosa en la imagen, incluso aunque se halle fuera del campo visual de la cámara. Estos reflejos fuertes pueden llegar a ser ingredientes creativos en un momento dado pero, en todo caso, el velo óptico degrada terriblemente la calidad de la imagen al producir una especie de manto blanquecino que se lograr aminorar en gran parte gracias al tratamiento antirreflectante que reciben todos los objetivos. El velo óptico reduce el contraste y la saturación de color. Otro origen de este velo son los reflejos dispersos que proceden de las monturas metálicas de los objetivos. Para reducirlos al mínimo todas las superficies no transparentes del interior están esmaltadas en negro mate. Un vidrio corriente normalmente refleja no menos del 4% de la luz que incide sobre él. Al recubrirlo con un material también transparente, cuyo índice de refracción se escoge de modo que haya interferencia destructiva <9> entre los rayos de luz reflejados, la reflexión

resultante puede reducirse hasta cerca de un 1%. Las imágenes tomadas a contraluz o con sujetos de fuerte reflectancia son las más susceptibles al velo óptico. Las manchas de colores azulados o anaranjados que suelen acompañar a la pérdida de contraste en las imágenes veladas son hexagonales u octogonales y corresponden a la forma definida por las láminas

del diafragma. Los filtros difusores, obviamente acentúan el velo óptico.

VELO ÓPTICO

Los tratamientos anti reflectantes de las lentes que forman el objetivo reducen considerablemente la aparición

de los reflejos internos causantes del velo óptico

Velo óptico (línea roja) causado por un rayo oblicuo (línea negra). El rayo azul procede del objeto y forma su imagen en el plano focal.


Al diafragmar siempre se reduce el velo óptico. Aunque dicho velo no es una aberración, en ciertos casos relativamente frecuentes puede afectar más negativamente a la imagen que las propias aberraciones residuales del objetivo.

El tratamiento antirreflectante multicapa <10> que reciben las lentes que componen los objetivos reducen los reflejos internos y consecuentemente mejoran la transmisión. En la imagen inferior, a la izquierda, una lente sin tratamiento antirreflectante; en el medio con tratamiento monocapa; a la derecha con antirreflectante multicapa. De la izquierda a la derecha, la transmisión de luz ha mejorado desde un 96% a un 99,5% El tipo de tratamiento antirreflectante aplicado en las lentes de los objetivos es uno de los factores clave que definen su calidad. Una lente no tratada refleja entre el 4 y el 8% de la luz incidente. Algunos objetivos pueden tener más de doce superficies ópticas; se comprende entonces que la pérdida de luz puede llegar a ser superior al 50%

El uso del parasol minimiza el velo óptico. Los rayos de luz (en color verde), que

forman parte de la imagen, pueden llegar al objetivo sin problemas; los rayos de luz

que no forman parte de la imagen (en color rojo), y que sólo se dispersarían en los elementos de nuestro objetivo, son

detenidos por el parasol.

Los filtros producen velo óptico. Para minimizarlo, deben colocarse siempre lo más próximos al objetivo posible. El espacio entre el filtro y el primer elemento del objetivo debe estar protegido de la luz externa

A la izquierda, efecto de un filtro (en este caso 1A) sin tratamiento antirreflectante. A la derecha un filtro equivalente que sí dispone de un antirreflectante multicapa.


Todos los elementos ópticos de los objetivos reciben tratamientos antirreflectantes. La reflectividad de cada lente (gráfico inferior) aumenta considerablemente

Arriba, un objetivo con recubrimiento antirreflectante de una sola capa, técnica habitual en los años 50 a 70. Debajo un objetivo reciente. Los reflejos verdes y

magentas sobre el vidrio indican el recubrimiento multicapa

Simulación de los efectos producidos por un

antirreflectante multicapa


<9> Los extraños colores que observamos cuando la luz de sol incide en una burbuja de jabón, una mancha de aceite o en el pavimento húmedo son causados por la interferencia de las ondas de luz reflejadas desde el frente hacia atrás de las superficies transparentes finas. Este fenómeno produce que dos haces de ondas que llegan al mismo plano sumen sus efectos si llegan en fase o contrarresten sus efectos si llegan desfasados; la luz viaja en ondas, y las ondas puede "cancelarse entre sí " si la amplitud máxima (cresta) de una coincide con la amplitud mínima (valle) de la otra. Thomas Young descubrió este principio de interferencia cerca de 1800. Las delgadas capas antirreflectantes depositadas en los componentes ópticos de los objetivos de las cámaras pueden reducir la reflexión interna y mejorar la intensidad de la luz transmitida. Los recubrimientos delgados en vidrios de ventanas pueden mejorar la reflectividad para la radiación infrarroja mientras tiene menos efecto en la radiación visible. De esta manera es posible reducir el efecto de calor de la luz de sol en un edificio o en un vehículo. Dependiendo de su espesor, un recubrimiento delgado puede ser perfectamente reflectante o transmitir la luz de una determinada longitud de onda. Estos efectos resultan tanto de interferencias constructivas como destructivas.

<10> El mejor tratamiento óptico recibe el nombre de multicapa ("multicoated"), que como su nombre indica, forma múltiples capas antirreflectantes sobre la superficie de la lente. El proceso EBC ("Electrón Beam Coating"), desarrollado y patentado por Fujinon, consiste en vaporizar óxido de circonio y depositarlo, a temperaturas superiores a los 270ºC, sobre cada una de las superficies de las lentes, como un haz de electrones en una cámara de vacío. Sobre cada lente se depositan múltiples capas de espesor ultra fino que permiten una transmisión de luz del 99,8% a través de cada superficie óptica.

A menudo pueden verse franjas coloreadas en la superficie de las burbujas de jabón. Estas franjas se deben a la interferencia entre los rayos de luz reflejados en las dos caras de la delgada película de líquido que

forma la burbuja. En una parte de la burbuja, vista desde un cierto ángulo, la interferencia puede intensificar ciertas longitudes de onda, o colores, de la luz reflejada, mientras que suprime otras longitudes de onda. El color que se ve depende de las intensidades relativas de las distintas longitudes de onda en la luz reflejada. En otras zonas, vistas desde otros ángulos, las longitudes de onda que se refuerzan o se cancelan son otras. La estructura de las franjas de colores depende del espesor de la película de líquido en los distintos puntos.

Cada lente simple refleja entre un 4% y un 8% de la luz que recibe, transmitiendo el resto. El tratamiento antirreflectante

multicapa que reciben las lentes que componen los objetivos, reduce los reflejos internos y

mejora la transmisión.

De la izquierda a la derecha, la transmisión de luz ha mejorado

de un 96% a un 99,5%

Lente simple sin tratamiento

antirreflectante

Lente simple con tratamiento monocapa

Lente simple conantirreflectante

multicapa

96% 99,5%


Australia (2008) D: Baz Luhrmann - F: Mandy Walker

Con frecuencia, halos y reflejos tienen intencionalidad dramática.

La dolce vita (1960) D: Federico Fellini – F: Otello Martelli

Malena (2001) D: Giuseppe Tornatore / F: Lajos Koltai (Panavision anamórfico)




Pride and Prejudice (2005) - D: Joe Wright – F: Roman Osin

Marasmo (2003) D: Mauricio Mendiola – F: José Ocejo

Si los filtros no están bien pegados a la primera lente del objetivo, pueden producir una doble imagen de las partes más brillantes

There Will Be Blood (2007) D: Paul Thomas Anderson - F: Robert Elswit



Además de alterar la profundidad de campo, ya sabemos que el diafragma ayuda a mejorar el rendimiento de un objetivo. Las aberraciones se reducen cuando el objetivo es diafragmado convenientemente, excepto la distorsión y la curvatura de campo. La ubicación, es decir, la posición física del diafragma dentro del objetivo tiene importancia capital y es uno de los métodos empleados para controlar las aberraciones. La posición más adecuada de la abertura depende del tipo de objetivo. El tipo más común de objetivo anastigmático sitúa la abertura del diafragma entre los componentes del mismo. Las lentes simples suelen situar el diafragma detrás. La aberración esférica es la única aberración axial que se ve afectada apreciablemente por un cambio de abertura, pero esta aberración no afecta tanto a la definición de los puntos alejados del eje como el resto de aberraciones existentes. Por ello, no limita de forma importante la abertura máxima del objetivo. Cuando el ángulo visual del objetivo es amplio tienen mayor importancia el coma y el astigmatismo y éstos (particularmente el astigmatismo) aumentan cuando se incrementa la abertura. Es decir, en la práctica la máxima abertura útil de un objetivo viene limitada especialmente por el astigmatismo y el coma. En la actualidad se han efectuado grandes progresos en el tratamiento y diseño de las lentes y en cine hoy es frecuente emplear objetivos con aberturas máximas de T/1.3. En general, los principales problemas se presentan en los objetivos de distancias focales cortas que, por ello, suelen obligan a trabajar con aberturas más reducidas.

Estas tres imágenes han sido obtenidas positivando en una ampliadora un mismo negativo. En la imagen de la izquierda el objetivo de la ampliadora ha sido sustituido por una simple lupa de 50 mm de distancia focal y de 30mm de diámetro, lo que da una luminosidad de F/1.6. La imagen es borrosa. La imagen central ha sido obtenida colocado un diafragma hecho de cartulina negra de 4mm de diámetro. La luminosidad resultante es F/12.5 y, con ello, hemos utilizado únicamente el centro de la

EFECTO DE LA ABERTURA DEL DIAFRAGMA EN LAS ABERRACIONES


lente. La calidad se incrementó notablemente, aunque persisten muchas aberraciones y no llega a compensar la excesiva curvatura de campo por lo que la definición es aceptable apenas en el centro del cuadro. En la última fotografía se empleó el objetivo de la ampliadora a su máxima abertura F/2.8 lo que hace evidente las diferencias. Con una sola lente simple, diafragmar es la única forma de atenuar las aberraciones. Por extensión, en un objetivo compuesto, diafragmar ayuda a minimizar los efectos de las mismas. Los diafragmas ideales son aquellos en los cuales las aberraciones se equilibran proporcionando una imagen de calidad. Para cada objetivo existe una serie de diafragmas óptimos en este sentido, que es posible determinar por medio de ensayos de laboratorio. De todas formas, a los efectos prácticos es razonable considerar que la mejor calidad se obtiene en los diafragmas centrales es decir, en el intervalo que existe tras cerrar tres diafragmas desde la máxima abertura y hasta dos diafragmas antes de la mínima (para evitar los fenómenos de difracción que ya hemos estudiado). La calidad obtenida obviamente también depende del grado de ampliación a que se vaya a someter el negativo y del poder de resolución de la película.

CONCLUSIÓN: Además de alterar la profundidad de campo, el diafragma ayuda a mejorar el rendimiento de un objetivo

Las aberraciones se reducen cuando el objetivo es diafragmado(todas menos dos: distorsión y curvatura de campo).

Lente simple. F/1,6 Lente simple. F/12,5 Objetivo. F/2,8


El diseño de un objetivo es siempre un compromiso entre la minimización de unas y otras aberraciones que se intenta solucionar de diferentes formas:

- Añadiendo más elementos ópticos (cada elemento adicional ofrece dos superficies más, una frontal y una posterior, además de un IR específico). Inconveniente: cuantos más elementos se añadan, más aumenta la dispersión de la luz dentro del objetivo y la imagen pierde brillo pese a los revestimientos que hoy en día incorporan todos los objetivos. El objetivo se vuelve pesado y caro.

- Limitando la abertura máxima del diafragma. Cuanto mayor es la abertura máxima de

diafragma, más críticas son las aberraciones y más caro y complejo es corregirlas. El inconveniente de limitar la abertura máxima es obvio: la cinematografía moderna tiende a registrar con altas dosis de realismo lo que implica el máximo aprovechamiento de las luces existentes en la escena a través de diafragmas muy abiertos.

- Limitando el poder de cobertura del objetivo a un área menor pues las aberraciones son más

críticas en los extremos que en el centro de la imagen. En algunos objetivos (singularmente en marcas orientales baratas) esta limitación es tan obvia que las aberraciones, singularmente la cromática y la esférica, se pueden apreciar en las partes no centrales de la imagen.

- La tecnología actual permite disponer de grupos ópticos flotantes que varían su posición en el

interior del objetivo en función de la distancia de enfoque. También, la superficie de los elementos ópticos puede ser asférica en lugar de esférica. En el caso de elementos de poco diámetro, el IR puede ser distinto en el centro que en los bordes. La tendencia actual es construir objetivos cada vez más ligeros y compactos, y potentes teleobjetivos y angulares con aberturas máximas mayores.

Lo ideal sería que la imagen mantenga la mayor calidad a cualquier distancia de enfoque y abertura del diafragma pero, naturalmente, hay que establecer compromisos para limitar precio, volumen y peso. La calidad de imagen tampoco debería variar en el área del fotograma, ya sea en las esquinas o en el centro. Pero, por desgracia, no resulta viable corregir completamente todas las aberraciones ópticas pues el objetivo podría alcanzar un precio exorbitante. Un objetivo bien corregido de aberraciones y que puede obtener una imagen ideal de un sujeto puntual se llama objetivo libre de aberraciones. Sin embargo el nombre es en exceso audaz: en toda imagen aparece algo de borrosidad debido a las aberraciones residuales, incluso cuando se usa un objetivo de los denominados “libre de aberraciones”. Respecto al sistema visual humano debemos señalar que, a efectos ópticos, el cristalino del ojo es una lente convergente, cuya cara anterior mide unos 10mm de radio, la posterior unos 6mm y su índice de refracción va modificándose de la periferia al centro, siendo superior en éste que en los bordes. Su valor medio es de 1,437. Debido a esta variación diferencial en el índice de refracción, imposible actualmente para la tecnología óptica, quedan corregidas las aberraciones típicas de toda lente convergente.

CORRECCIÓN DE LAS ABERRACIONES


A menudo se observa que de dos objetivos de similar diseño e idéntica distancia focal, uno cuesta mucho más que el otro debido a que su abertura máxima cuenta con un “diafragma de más”. Para hacernos una idea: un objetivo normal de 50mm para una cámara de paso universal de apertura máxima F/1.8 cuesta no más de 80 dólares; un F/1.4 puede superar los $400 mientras que si queremos un objetivo F/1.0 de muy alta luminosidad, tendremos que pagar mucho más puesto que la corrección de aberraciones deberá ser extrema y precisamente donde más complejo resulta hacerlo, a diafragmas muy abiertos. Por ejemplo, el nuevo Leica Noctilux de 50mm (derecha) cuya abertura máxima es F/1.0 (objetivo normal de 45º de ángulo visual) utilizable sobre la también nueva y excelente digital Leica M8, tiene un precio de unos $3.900.

Las imágenes obtenidas con el Noctilux de Leica tienen la típica calidad de todas las

ópticas de esta marca legendaria. La corrección de

aberraciones es excelente. Ha desaparecido el ligero viñeteado de modelos

precedentes y el rango tonal es magnífico. A plena abertura el desenfoque de los fondos es

muy notable; un objetivo ideal para explorar las posibilidades

creativas del bokeh


La difracción, como ya hemos visto, se debe a la característica ondulatoria de la luz. A pesar de que se desplaza en línea recta, tiene la propiedad de cambiar su dirección inmediatamente después de atravesar un objeto, de manera similar a las ondas de agua. Esta característica es también a veces la causa de cierta borrosidad. La difracción, sin ser una aberración óptica, es frecuente causa de pérdida de calidad de imagen. El área borrosa causada por la difracción es pequeña cuando se usa un objetivo a grandes aberturas y es mayor cuando se diafragma. Y, a partir de un cierto punto, cuanto más se cierre el diafragma de un objetivo, menor será su rendimiento óptico. En definitiva, hay un punto en todo sistema óptico a partir del cual no se mejora el rendimiento, independientemente del grado en que se reduzcan las aberraciones. Este punto se llama límite de la difracción. Ningún objetivo profesional incluye diafragmas que superen el límite de difracción, el fabricante demarca el diafragma mínimo antes de que puedan aparecer fenómenos de difracción. Ya hemos hablado de la regla casera que indica que, en caso de duda sobre la eficiencia de un objetivo, es mejor no superar un diafragma mínimo equivalente al resultado de dividir la distancia focal del objetivo por cuatro. Así en un 100mm de dudosa procedencia, por ejemplo, no es aconsejable cerrar el diafragma más allá de F/22 (100:4=25). Las lentes simples están afectadas por muchas aberraciones y distorsiones que pueden mejorarse en los objetivos compuestos y que alcanzan una de las máximas cotas de dificultad en los objetivos de distancia local variable o zoom. Las principales dificultades de diseño de estos objetivos residen en que se trata de complejos sistemas ópticos mecánica y ópticamente creados para:

- Proporcionar una elevada serie de distancias focales. - Presentar una buena corrección frente a aberraciones y distorsiones. - Mantener un foco preciso mientras se cambia la distancia focal del objetivo.

Reunir estos tres requisitos es difícil y podría generalizarse afirmando que, aunque este tipo de objetivos son los más implantados en casi todas las técnicas audiovisuales, suelen presentar mayor cantidad de aberraciones que los objetivos de distancia focal fija como veremos enseguida. No obstante, al ser sus ventajas muy importantes, la mayoría de las cámaras de aficionado vienen equipadas de fábrica con un objetivo de distancia focal variable. Finalizamos este apartado dedicado a las aberraciones y distorsiones con una reflexión. Es importante que el profesional conozca las dificultades técnicas inherentes al diseño del primer eslabón de la cadena de la calidad de la imagen: el objetivo. Pero hemos de añadir que la calidad que ofrecen la inmensa mayoría de los objetivos profesionales cinematográficos es lo suficientemente buena para no convertir en obsesión la preocupación por el conocimiento y detección de las aberraciones. En vídeo,

Influencia del límite de la difracción

El cristalino del ojo en los seres vivos es una lente convergente. En el ojo humano la cara anterior mide unos 10mm de radio, la posterior unos 6mm y su índice de refracción va modificándose de la periferia al centro, siendo superior en éste que en los bordes.

Su valor medio es de 1,437. >

Debido a esta variación diferencial en el índice de refracción, imposible actualmente para la tecnología óptica, el ojo corrige a la perfección las aberraciones típicas de toda lente convergente.

¿Cuál es la única lente simple conocida que no presenta ninguna aberración?


por desgracia, hay que estar más atento a la calidad de los objetivos; la óptica ha sido siempre el componente descuidado por los fabricantes, siempre más interesados en las supuestamente apabullantes prestaciones electrónicas de sus equipos.

Aberración Tipo Consecuencias Se atenúa Se corrige

Cromática Axial Rebordes coloreados en

torno a los objetos blancos.

Diafragmando

Objetivos acromáticos (corregidos para verde y azul)

Objetivos apocromáticos (corregidos para todos los

colores).

Esférica Axial Pérdida general de nitidez. Diafragmando

Modificando las superficies de las lentes de manera que ya

no sean esféricas sino asféricas (radio de curvatura

no constante).

Coma No axial

Puntos ubicados en los extremos del cuadro se

reproducen como manchas en forma de

coma.

Diafragmando

Mediante el cálculo adecuado de las curvaturas de los lentes y del índice de refracción de

los cristales.

Astigmatismo No axial

Imposibilidad de enfocar

simultáneamente objetos verticales y

horizontales.

Diafragmando

Modificando las curvaturas de las lentes. Los objetivos

modernos usualmente son anastigmáticos (corregidos de astigmatismo y curvatura de

campo).

Curvatura de campo

No axial

El plano de proyección asume la forma de una

semiesfera.

No se atenúa diafragmando

Igual que la anterior: modificando las curvaturas de

las lentes. Los objetivos modernos usualmente son

anastigmáticos (corregidos de astigmatismo y curvatura de

campo).

Distorsión No axial

Deformación de las líneas rectas tanto

vertical como horizontalmente. No

afecta a la nitidez ni al contraste, solo a la

fidelidad de reproducción.

No se atenúa diafragmando

No es posible su eliminación completa en los objetivos con grupos flotantes (los zoom). No es posible su eliminación en los objetivos de corta y

muy corta distancia focal. Es tan frecuente que estamos ya

“acostumbrados” a ella

CUADRO RESUMEN DE LAS PRINCIPALES ABERRACIONES


Sabemos que para mejorar la nitidez de una imagen estenopeica hay inevitablemente que disminuir el diámetro del orificio, lo que trae como consecuencia la disminución de la cantidad de luz, y por ende la oscuridad de la imagen. Este problema fue resuelto en 1550 por el físico milanés Girolano Cardano, quien propuso el uso de lentes biconvexas, permitiendo de este modo obtener una imagen clara sin perder su nitidez. Hacia 1568, el también italiano Daniello Barbaro añade un diafragma al

dispositivo que permite así variar el diámetro del orificio, produciendo una mejor nitidez de la imagen recibida. Una de las aportaciones para el definitivo perfeccionamiento de la cámara oscura fue la idea de William Hyde Wollaston que, en 1812, utilizó lentes de menisco en lugar de las tradicionales lentes biconvexas. La lente de menisco (imagen de la izquierda) consiste en una lente con una cara convexa y otra cóncava. Su mayor ventaja consistía en permitir utilizar una superficie de proyección prácticamente plana, en lugar de la cóncava habitual necesaria para lograr una buena nitidez cuando la óptica presenta aberración de curvatura de campo. Wollaston comprobó que si se usaba un diafragma muy pequeño, equivalente hoy a un F/16 en 35mm, se reducían considerablemente algunas aberraciones de aquella lente simple, entre ellas el astigmatismo, el coma y la aberración esférica. Wollaston, sin embargo, no resolvió corregir errores cromáticos o de curvatura de campo o distorsiones de gran magnitud. La construcción de cámaras oscuras se generalizó en el siglo

XIX y fueron la aportación tecnológica inmediata para la invención de la fotografía. De hecho, se sabe que el autor de la que es considerada primera fotografía de la historia, Nicéphore Niepce (1765-1833), había comprado en 1826 una cámara oscura con lente simple de menisco en la óptica que Charles Chevalier tenía en París.

Diez años antes de la aparición del daguerrotipo, en 1829 y

en la misma ciudad de París, Charles Chevalier mejoró el menisco de Wollaston al incorporar un diseño que contemplaba una lente convexa (positiva) y una lente cóncava (negativa).

LOS OBJETIVOS PRIMITIVOS Y LAS ABERRACIONES ÓPTICAS

El óptico Charles Chevalier (derecha)


El objetivo acromático formado con estas dos lentes hechas de vidrio de diferentes clases, dispersaba de manera igual y contraria la luz para reducir la aberración cromática. Sin embargo, la curvatura de campo, la distorsión y el astigmatismo imponían que el objetivo tuviera un campo de visión y diafragma reducidos como Wollaston había ya precisado. El fotógrafo profesional del siglo XIX demandó dos tipos de objetivos, uno para retratos y otro para vistas; para cada uno de estos géneros fotográficos se fabricaron diferentes objetivos ópticos. En Hungria, Petzval diseño un objetivo compuesto por dos cuerpos ópticos acromáticos desiguales. El fabricante del diseño de Petzval, Voigtländer, produjo desde 1840 un objetivo calculado matemáticamente por primera vez. La apertura del objetivo era de F/3,5 lo que constituyó en su época una innovación tecnológica. Pero la curvatura de campo obligaba al fotógrafo a usarlo solo en retratos a pesar de que la imagen formada no era nítida en las orillas de la imagen, aberración que se aceptó en la estética de la época. La lente rápida de Petzval redujo considerablemente los tiempos de exposición para el daguerrotipo y las imágenes al colodión.

Los objetivos para vistas requerían un gran ángulo visual (las grandes aperturas de diafragma en este caso resultaban menos importantes). De este tipo de objetivos es la lente desarrollada en Inglaterra por Dallinger y que llamó Rapid Rectilinear.

En Alemania se desarrolló de manera casi simultánea el objetivo Aplanet con las mismas características. Este era un diseño simétrico compuesto por dobletes acromáticos. La simetría en el diseño incluyó un diafragma

Objetivo de dos lentes de Chevalier: 375mm, F/14

Rapid Rectilinear: diseño simétrico compuesto de dos lentes de menisco, con el diafragma situado en el centro del

objetivo. A la izquierda, cámara Rochester 10x13cm (4x5 pulgadas) de 1895 con objetivo Rapid Rectilinear


central que corregía la distorsión curvilínea, el coma y el color lateral. Los dobletes acromáticos eliminaban la aberración cromática. Este objetivo cubría un campo de 50 º a F/8 pero aún no corregía el astigmatismo. Para 1880 la fabricación de lentes se vio afectada por la escasez de vidrio óptico. Mientras el diseño de objetivos fotográficos aun no lograba corregir el astigmatismo, otras aberraciones se incrementaron, entre ellas la curvatura de campo. En Alemania Abbe y el fabricante de vidrio Otto Schott produjeron en Jena vidrio óptico a base de bario. Esta innovación logró obtener diferentes vidrios con diferentes características de dispersión de la luz e índice de refracción. Seis años después el mercado se estabilizó y ofreció más de cuarenta tipos de diferentes vidrios para la industria óptica. Así las cosas, Ross y Zeiss, respectivamente, ofrecieron una lente anastigmática. En el decenio de 1890 Goerz Dagor y el mismo Zeiss ofrecian objetivos diseñados hasta con ocho elementos y anastigmáticos. A principios del siglo XX los profesionales disponían de un buen número de objetivos especializados en trabajos específicos. La óptica fotográfica y cinematográfica habían ya superado su etapa más difícil

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